土木工程材料——项目八金属材料

金属材料•任务一建筑钢材•任务二铝合金及制品•能力目标•熟悉钢材的分类•掌握钢材的主要技术性能•重点掌握钢材的拉伸性能•熟悉钢材的化学成分对钢材性能的影响•掌握钢材冷加工及时效•案例索引•1951年1月31日，加拿大魁北克钢桥突然断裂，其中3跨坠入河中，当时气温为-35℃。比利时在1938～1950年期间，有17座桥梁发生脆断，其中有9起事故发生在-40～-14℃的低温下。•钢材具有低温“冷脆性”，在负温下使用的钢材应经冲击韧性检验合格后方可使用。•任务驱动•任务一建筑钢材•任务导航•任务主要学习建筑钢材的相关知识，包括钢材的分类、主要技术性能、化学成分对钢材性能的影响、钢材冷加工与时效、常用钢材以及钢材的腐蚀与防护等内容。金书缘文化•金属材料包括黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，如钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。土木工程中应用的金属材料主要有建筑钢材和铝合金两种。•建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材，包括钢结构用的各种型钢（圆钢、角钢、槽钢和工字钢），钢板，钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢绞线。除此之外，还包括用作门窗和建筑五金等的钢材。•建筑钢材强度高、品质均匀，具有一定的弹性和塑性变形能力，能承受冲击振动荷载。钢材还具有很好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，装配施工方便。建筑钢材广泛用于大跨度结构、多层及高层建筑、受动力荷载结构和重型工业厂房结构，广泛用于钢筋混凝土之中，因此建筑钢材是最重要的建筑结构材料之一。钢材的缺点是容易生锈、维护费用大、耐火性差。•一、钢材的分类•钢的分类方法很多，目前的分类方法主要有下面几种。•（一）按化学成分分类•1.碳素钢•碳素钢含碳量为0.02%～2.06%，按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）、中碳钢（含碳量为0.25%～0.6%）、高碳钢（含碳量0.6%）。金书缘文化•在建筑工程中，主要用的是低碳钢和中碳钢。•2.合金钢•合金钢可以分为低合金钢（合金元素总量5%）、中合金钢（合金元素总量为5%～10%）、高合金钢（合金元素总量10%）。•建筑上常用低合金钢。•（二）按有害杂质的含量分类•（1）普通钢。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。•（2）优质钢。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。•（3）高级优质钢。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.025%。•（4）特级优质钢。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.015%。•建筑中常用普通钢，有时也用优质钢。•（三）根据冶炼时的脱氧程度分类•1.沸腾钢•炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，杂质和夹杂物多，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但其生产成本低、产量高，可广泛用于一般的建筑工程。金书缘文化•2.镇静钢•炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无CO气泡产生，故称镇静钢，代号为“Z”（亦可省略不写）。镇静钢虽成本较高，但其组织致密、成分均匀、性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。•3.特殊镇静钢•比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，其质量最好。适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”（亦可省略不写）。•4.半镇静钢•脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。•（四）根据用途分类•1.结构钢•主要用作工程结构构件及机械零件的钢。•2.工具钢•主要用作各种量具、刀具及模具的钢。•3.特殊钢•具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐酸钢和耐热钢等。建筑上常用的是结构钢。金书缘文化•二、钢材的主要技术性能•钢材作为重要的工程结构材料，应具有良好的力学性能和工艺性能。•（一）钢材的力学性能•1.抗拉性能•抗拉性能是钢材的主要技术性质，通过低碳钢轴向拉伸的应力（a）-应变（e）曲线，如图8-1所示，可以了解钢材抗拉性能的特征指标和变化规律。低碳钢拉伸过程分为四个阶段。•图8-1低碳钢拉伸时的应力-应变曲线金书缘文化•（1）弹性阶段（OA段）•在OA范围内，试样受力时发生变形，应力和应变成比例增加，OA是一条直线段，卸除拉力后变形完全恢复，此性质称为弹性。应力（σ）与应变（ε）保持直线关系时的最大应力称为弹性极限，即A点所对应的应力，用σp表示。在弹性范围内，钢材的应力与应变成正比，其比值为常数，该常数称为弹性模量，用E表示：•弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力，它是计算钢材在受力条件下结构变形能力的重要指标，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形越小。土木工程中常用低碳钢的弹性模量为2.0×105～2.1×105MPa，弹性极限为180～200MPa。•（2）屈服阶段（AB段）金书缘文化•当荷载增大，试件应力超过弹性极限时，应变增加很快，而应力基本不变，这种现象称为屈服。此时的应力与应变不再成比例变化，试件开始出现塑性变形，应力—应变曲线呈现摆动，摆动的最大应力与最小应力分别称为屈服上限和屈服下限。由于屈服下限数值较为稳定，容易测试，所以规范规定以屈服下限的应力值定义为钢材的屈服强度，用σS表示。屈服强度是钢材开始丧失对变形抵抗的能力。当受力大于屈服强度后，钢材将出现不可恢复的永久变形，虽未破坏但已不能满足使用要求，因此，屈服强度是钢材设计强度取值的依据和工程结构计算中的重要技术参数。•（3）强化阶段（BC段）•当载荷超过屈服强度以后，试件内部组织结构发生变化，抵抗塑性变形的能力重新得到提高，此阶段称为强化。对应于曲线最高点（C点）的应力是钢材受拉时所能承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示，抗拉强度不能直接作为工程设计时的计算依据。•钢材的屈服强度与抗拉强度之比（σs/σb）称为屈强比，它能反映钢材的利用率和结构的安全可靠度。屈强比越小，延缓结构破坏过程的潜力越大，结构的安全可靠度越高。如果屈强比过小，则钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。碳素钢合理的屈强比一般为0.58～0.63；合金钢合理的屈强比一般为0.65～0.75。金书缘文化•（4）颈缩阶段（CD段）•当钢材强化达到最高点后，试件局部截面将急剧缩小，呈杯状变细，此现象称为颈缩。由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增大，直至试件断裂。常用断后伸长率、最大力总伸长率和断面收缩率来表征钢材的塑性变形能力。•图8-2钢材拉伸试件金书缘文化•断后伸长率是指试件拉断后，试件标距内的伸长量占原始标距的百分率，它是衡量钢材塑性的重要技术指标，用δn表示。钢材拉伸试件如图8-2所示。•式中δn——伸长率（%），n为长或短试件的标识，n=10或n=5；•Lo——试件原始标距长度（mm）；•L1——试件拉断后标距部分的长度（mm）。•图8-3硬钢的应力一应变曲线金书缘文化•钢材在拉伸时产生的塑性变形主要集中在试件的颈缩处，试件原始标距Lo与试件直径do之比愈大，颈缩处的伸长量在总伸长值中所占的比例愈小，计算所得的伸长率也愈小。通常采用标距与直径尺寸关系为Lo＝5do和Lo=10do的两种标准比例试件，所得到的断后伸长率分别用δs和8δ10表示。对同一种材料试件，δ5δ10。工程中把断后伸长率δn≥5%的材料称为塑性材料，伸长率δn5%的材料称为脆性材料。•对硬钢（高碳钢、中碳钢）来讲，其拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，屈服点难以测定，为便于应用，规定产生残余变形为原标距长度的0.2%时所对应的应力值作为硬钢的屈服强度，也称为条件屈服点，用σ0.2表示，如图8-3所示。•断后伸长率实际上只反映了试件颈缩断口区域的残余变形，对试件颈缩出现之前整体的平均变形及弹性变形情况则不能予以表征，这与试件在拉断时应变状态下的变形相差较大，且不同钢材的颈缩特征存在差异，端口拼接也有误差，较难真实地反映试件的拉伸变形特性。因此，可用试件在最大力时的总伸长率来表示钢材的拉伸变形指标，按下式计算：金书缘文化•式中δgt——最大力总伸长率（%）；•L——试件拉断后测量区标记间的距离（mm）；•Lo——试验前测量区标记间的距离（mm）；•σb——试件的抗拉强度（MPa）；•E——钢材的弹性模量。•断面收缩率是指试件拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分率，用φ表示：•式中φ——断面收缩率（%）；•A0——试件原始横截面积（mm2）；•A1——缩颈处最小横截面积（mm2）。•2.冲击韧性•冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用下的塑性变形和断裂能力。通过标准试件的冲击韧性实验，以试件冲断时单位面积上所吸收的能量来表示钢材的冲击韧性指标，按式（8-5）计算。冲击韧性值αk越大，钢材的冲击韧性越好。金书缘文化•式中ak——冲击韧性值（J/cm2）；•W——试件冲断时所吸收的冲击能（J）；•A——试件槽口处最小横截面面积（cm2）。•钢材的冲击韧性取决于晶体结构、化学成分、轧制与焊接质量、温度及时间等多种因素。细晶结构钢材较粗晶组织结构钢材的冲击韧性值高；钢中S、P杂质含量较高、存在偏析及存在其他非金属夹杂物时，钢材的冲击韧性值降低；沿轧制方向取样的钢材冲击韧性值高；焊接件中形成的热裂纹及晶体组织的不均匀分布，使钢材的冲击韧性值降低。图8-4为钢材冲击韧性随温度变化示意图，在较高温度环境下，冲击韧性值随温度下降而缓慢降低，破坏时呈韧性断裂。当温度降至一定范围内，随着温度的下降，冲击韧性值大幅度降低，钢材开始发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。钢材发生冷脆时的温度称为脆性转变温度，脆性转变温度越低，表明钢材低温冲击性能越好。在严寒地区使用的钢材，设计时必须考虑其冷脆性。由于脆性临界温度的测定较复杂，通常根据气温条件在-20℃或-40℃时测定的冲击韧性值，来推断其脆性临界温度范围。金书缘文化•随着时间的延长，钢材的强度与硬度升高、塑性与韧性降低的现象称为时效。时效也是降低钢材冲击韧性的因素之一。表8-1为普通低合金结构钢在低温及时效后的冲击韧性变化值。•图8-4钢材冲击韧性随温度变化曲线金书缘文化•表8-1普通低合金结构钢冲击韧性值•3.耐疲劳性•钢材在交变荷载反复作用下，在远低于抗拉强度时发生的突然破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏过程一般要经历疲劳裂纹萌生、缓慢发展和迅速断裂三个阶段。钢材的疲劳破坏，先在应力集中的地方出现疲劳微裂纹，钢材内部的各种缺陷（晶错、气孔、非金属夹杂物）和构件集中受力处等，都是容易产生微裂纹的地方，由于反复作用，裂纹尖端产生应力集中使微裂纹逐渐扩展成肉眼可见的宏观裂缝，直到最后导致钢材突然断裂。•疲劳强度是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值，一般把钢材承受荷载106～107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。•4.硬度•硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力，它是衡量钢材软硬程度的一个指标。测定钢材硬度的方法很多，主要有布氏法、洛氏法和维氏法等。金书缘文化•布氏法是利用一定直径D（mm）的硬质钢球，施以一定的荷载F（N），将其压入试件表面，经过规定的持荷时间后卸去荷载，试件表面将残留一定直径d（mm）的压痕。然后计算单位压痕面积所承受的荷载，即为布氏硬度值，无量纲，代号为HB。布氏法测定时所得压痕的直径d应在0.25D～0.60D范围内，否则测定结果不准确。因此，测量前应根据试件的厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选择钢球直径、所加荷载及持荷时间。当被测钢材的硬度较大（HB450）时，钢球本身可能会发生变形甚至破坏，所以布氏法仅适用于HB450钢材的硬度测定。布氏法测定结果比较准确，但压痕较大，不宜用于成品检验。•对于HB450的钢材，应采用洛氏法测定其硬度。洛氏法是根据压头压入试件深度的大小来表示材料的硬度值。按照不同的荷载和压头类型，洛氏硬度值又可分为HRA、HRB和HRC。洛氏法操作简便，压痕较小，可用于成品检验，但若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷时，所测硬度值重复性差。•根据硬度值的大小，可以判定钢材的软硬程度，据此还可以估计钢材的抗拉强度。实验证明，当碳素钢的硬度HB≤175时，其抗拉强度σb≈